Kraftübertragung durch Hydraulik

Hydraulische Fluide sind aufgrund ihres flüssigen Aggregatzustandes in der Lage, sich jeder geometrisch vorgegebenen Form anzupassen. Durch diese Eigenschaft können sie, wenn sie mit Druck beaufschlagt werden, jeden Rohrquerschnitt und innerhalb eines hydraulischen Kreislaufs dazwischen geschaltete Elemente wie beispielsweise Ventile durchströmen.
Der Grundgedanke bei der hydraulischen Kraftübertragung ist in den weitaus überwiegenden Fällen eine Druckbeaufschlagung eines hydraulischen Mediums, in der Regel Mineralöl mit der Konsequenz einer durch den Druck hervorgerufenen Bewegung.

Hydrostatik, Physik der ruhenden Flüssigkeit, hydrostatische Gesetze

Auf ein ruhendes flüssiges Medium, beispielsweise einen See, wirkt der atmosphärische Luftdruck. Auf die Wasseroberfläche des Sees wirkt, wenn der wetterbedingte Luftdruck 1

mbar (1
⁵ Pa = 1
^5N/_m² = 1

hPa) beträgt, auf jeden Quadratzentimeter Fläche eine Kraft von 1
N. In 1 m Wassertiefe des Sees kommt zum atmosphärischen Luftdruck P_a von 1
^5N/_m² noch der statische Druck der 1 m hohen Wassersäule, nämlich

P_a + V*ρ*g = 1
⁵ N / _m² + 1 m³ * 1


 ^kg/_m³ * 9,81 ^m/_sec² = 1
981
 ^N/_m² =1
98,1 hP_a = 1,
981 bar.

Die hydrostatischen Gesetze gelten nicht nur für inkompressible Fluide wie Wasser oder Hydrauliköl, sondern auch für gasförmige Medien wie beispielsweise Luft. So gehört es zu den hydrostatischen Erscheinungen, dass der Luftdruck mit zunehmender Entfernung von der Erdoberfläche immer geringer wird, aufgrund der geringer werdenden Erdbeschleunigung. Diese hydrostatischen Erscheinungen des veränderlichen Luftdrucks haben einen maßgeblichen Einfluss auf das Wetter.

Hydrodynamik, Physik der bewegten Flüssigkeit als Strömung

Fließt ein Fluid durch einen geschlossenen Querschnitt, so ist an jeder Stelle dieses Querschnitts die Summe aus Druckhöhe, Geschwindigkeitshöhe und Ortshöhe eine konstante Größe, die man auch noch Gesamthöhe nennt. Diese Erkenntnis wird formelmäßig durch die Bernoulligleichung charakterisiert, die auch noch unter dem Namen Energiegleichung bekannt ist.

 ^p / _ρ*g ...   Druckhöhe in m
^W² / _2*g ... Geschwindigkeitshöhe in m
 h ...           Ortshöhe in m
 K ...           Gesamthöhe in m 

 ^p₁ / _ρ*g + ^W₁² / _2*g + h₁ = ^p₂ / _ρ*g + ^W₂² / _2*g + h₂ = K

Wendet man die Energiegleichung für Flüssigkeiten an, so kann man aufgrund ihrer Inkompressibilität die Dichte ρ als konstant annehmen.

In abgewandelter Form ist die Energiegleichung auch für Gase anwendbar, jedoch ist dann die Dichte ρ vom Druck abhängig und damit veränderlich. Zugleich verändert sich bei Gasen mit dem Druck und der Dichte auch noch die Temperatur, was bei hydrodynamischen Berechnungen von Strömungen mit Gasen auch noch zu berücksichtigen ist.

In Verbindung mit der Kontinuitätsgleichung, welche im Prinzip aussagt, dass an verschiedenen Stellen eines strömenden Mediums auch immer gleiche Massenströme herrschen, ist die Energiegleichung eine wesentliche Grundlage für die Auslegung und Dimensionierung von hydraulischen Anlagen.

Energieübertragung mittels fluidtechnischer Getriebe mit Mineralöl

Kraftfahrzeuge mit Automatikgetriebe, auch bekannt unter dem Namen hydrodynamischer Drehmomentwandler, nutzen sowohl die geschmeidigen Eigenschaften des Mineralöls als auch deren Inkompressibilität. Pumpenrad, Turbinenrad und Leitrad bilden eine perfekt aufeinander abgestimmte Einheit, durch welche der Motor immer in einem optimalen Drehzahlbereich arbeiten kann. Das Pumpenrad ist direkt mit dem Antriebsmotor verbunden und hat daher auch immer dessen gleiche Drehzahl. Das Turbinenrad ist mit dem nachgeschalteten Getriebe verbunden. Zwischen Pumpenrad und Turbinenrad befindet sich das Leitrad, welches ein ganz wesentliche Aufgabe zu erfüllen hat. Es leitet das Öl von Pumpenrad zum Turbinenrad und von da wieder zurück zur Pumpe. Aufgrund des zu übertragenden Drehmomentes ist die Turbinendrehzahl immer etwas geringer als die Pumpendrehzahl. Das Öl im Drehmomentwandler wirkt wie ein elastisches Element und sorgt so für eine sanfte Verbindung zwischen Motor und Getriebe. Die Funktion des Drehmomentwandlers ist jedoch immer mit einem gewissen Schlupf und damit auch mit Reibungsverlusten verbunden. Trotzdem ist der Drehmomentwandler in der Lage gerade beim Anfahren ein hohes Drehmoment zu erzeugen und so eine zügige Beschleunigung zu ermöglichen.

Kraftmaschine vs. Arbeitsmaschine

Eine Kraftmaschine erzeugt beispielsweise durch Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ein Drehmoment bei einer bestimmten Drehzahl und stellt diese beiden vektoriellen Größen als mechanische Leistung einer nachgeschalteten Einheit zur Verfügung. Eine solche antreibende Maschine ist auch unter dem Namen Verbrennungsmotor bekannt.
Eine Arbeitsmaschine benötigt zur Funktion eine antreibende Einheit, um die ihr zugedachten Abläufe erfüllen zu können. So ist beispielsweise eine Ständerbohrmaschine eine Arbeitsmaschine, der sie antreibende Elektromotor jedoch eine Kraftmaschine.

Es ist jedoch nicht immer eine eindeutige Trennung dieser beiden Maschinenarten möglich.

So sind beispielsweise Wasserkraftwerke oft mit einem Pumpspeicherwerk ausgerüstet. Wenn nachts mehr Strom zur Verfügung steht, als momentan benötigt wird, treibt man mit dem überschüssigen Strom einen Universalmotor mit angeschlossener Pumpturbine an und pumpt damit Wasser in ein höher gelegenes Pumpspeicherwerk. Der Universalmotor ist umschaltbar und kann sowohl als Elektromotor als auch als Generator eingesetzt werden. Die angeschlossene Pumpturbine ist ebenfalls umschaltbar und kann sowohl als Pumpe als auch als Turbine arbeiten. In Spitzenzeiten des Strombedarfs wird das Wasser im Pumpspeicherwerk zur zusätzlichen Stromerzeugung eingesetzt. Dieses Wasser strömt dann durch die Pumpturbine, welche dann unter Drehrichtungsumkehr als Turbine arbeitet und treibt den angeschlossenen Universalmotor, der dann als Generator geschaltet ist, an.

Als vereinfachtes Beispiel für ein Maschinenelement, welches ebenso beide Maschinenarten verkörpern kann, ist auch das Schwungrad anzusehen.

Fazit

Hydraulische Kraftübertragung ist eine in der heutigen Technik häufig angewandte Methode zur Übertragung von Kräften und Bewegungen. Dabei wirkt sich die Eigenschaft der Inkompressibilität von flüssigen Medien besonders vorteilhaft aus, weil dadurch zusätzliche Volumenänderungsarbeiten, verbunden mit schlechteren Wirkungsgraden vermieden werden. Markante Beispiele für hydraulische Kraftübertragungen sind Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen, Hydraulikbagger, hydraulische Pressen, hydrodynamische Drehmomentwandler oder ganz allgemein Hydraulikzylinder für Bewegungsübertragungen jeglicher Art. Bei der Energieübertragung mittels Strömung von Fluiden muss jedoch, wenn mit höheren Drücken gearbeitet wird, das Dichtheitsproblem mit geeigneten Dichtelementen gelöst werden.